窄带随机激励下三稳态压电俘能器的动力学特性与实验研究

本文研究了窄带随机激励下三稳态压电俘能器的动力学输出特性.首先,建立了非线性三稳态压电俘能器的分布参数型机电耦合运动方程,并基于多尺度法推导得到系统运动方程响应的解析解以及一阶、二阶稳态矩的表达式.其次,分析了磁铁间距、噪声强度和激励幅值等参数对系统稳态响应的影响.研究结果表明,在一定参数范围内,随着噪声强度的增加,压电振动俘能器会经历阱内振动、阱间振动甚至大轨道周期运动,以表现出单稳态、双稳态和三稳态特性;改变磁铁水平间距和竖直间距构造三稳态压电俘能器,其振动幅值和采集电压相较于双稳态明显提高.最后,通过实验比较了压电俘能器在不同位形时的采集性能,结果表明了三稳态压电俘能器的优越性,为窄带随机激励下的非线性振动俘能器的设计提供一定的理论依据.     

风致驰振型压电-电磁复合俘能器等效电路建模及参数影响分析

为了研究与标准直流接口电路相连的风致驰振型压电-电磁复合俘能器的发电性能,建立了风致驰振型压电-电磁复合俘能器的等效电路模型,利用电路仿真软件仿真分析了接口电路串联和并联配置、激励风速和负载电阻对压电-电磁复合俘能器输出功率的影响关系.结果表明,俘能器起振后,直流接口并联连接比串联连接具有更高的功率输出.对于并联接口电路,在低负载阻抗区,压电-电磁复合俘能具有比单一压电和单一电磁俘能更高的输出功率;在高负载阻抗区,压电-电磁复合俘能与单一压电俘能的输出功率相当,电磁俘能表现出对高阻抗负载的不适用性.本文参数化分析结果有助于理解连接标准直流接口电路的压电-电磁复合俘能器发电性能.     

时滞反馈作用下压电梁的参数共振分析

基于Hamilton原理建立了受控压电梁的参数振动方程,研究了轴向激励压电梁时滞速度反馈控制的主参数共振.采用非线性振动的多尺度法研究了压电梁的亚谐波主参数共振,并对其稳定域进行分析.通过算例分析得到了不同时滞,控制增益,轴力影响下压电梁参数共振的稳定域和时程曲线.结果表明:时滞值增大,系统承受轴向力减小,相对于控制增益则反之.同时,随着轴向力增大,在一定范围内主动阻尼增加,时滞反馈能有效降低响应幅值.随着时滞值增大,减振效果变差.     

微型双稳态板压电俘能器的仿真研究

基于中间固定、四边自由的微型压电层合板模型,应用应变梯度理论考虑其尺寸效应,借助ABAQUS用户自定义子程序(UEL)模块自定义了一种三维八节点的微型压电单元.利用有限元法热-力-电耦合分析对微型双稳态板压电俘能器进行了仿真研究,发现其在不同的激振频率下存在不同的变形状态,非线性动态分析显示该结构在其一阶固有频率之前也能俘获较多电能,且存在多态转换交替出现的现象.针对该微型双稳态压电俘能器,给出了其最佳的工作频率和最大俘获电压.研究成果对微型压电俘能器的设计分析和性能检测具有重要的指导意义.     

铰支柔性梁主参数共振的时滞反馈控制

研究了时滞反馈控制作用下铰支柔性梁主参数共振问题.采用多尺度法,从理论上推导了时滞位移反馈控制作用下铰支柔性梁非线性主参数共振,分析了时滞、反馈控制增益,非线性系数等系统参数对系统非线性主参数振动的影响,分析了主参数动力响应随参数变化的规律.结果表明:随着反馈增益的增大,系统响应幅值得到明显抑制,合理地控制系统参数选取可提高振动控制的效率.     

一种新型压电俘能器的振动特性分析及性能研究

基于压电效应设计了一种包含屈曲梁、质量块和非线性弹簧的新型压电俘能器结构,并对其进行了振动响应分析.首先基于Euler-Bernoulli梁理论,利用Hamilton原理建立了压电俘能器结构的非线性动力学方程,通过Galerkin离散后数值分析了结构参数对系统一阶固有频率的影响;进一步利用多尺度法对系统进行摄动分析,研究了系统的稳态幅频特性,数值分析了各系数对幅频响应曲线的影响,结果表明该结构在简谐激励作用下会存在多种跳跃现象;最后数值分析了压电俘能器的发电性能,讨论了激励幅值和初始静挠度对发电电压的影响.     

直角复合梁压电俘能器多方向能量收集

提出了一种可进行多方向能量收集的直角复合梁压电俘能器。使用有限元分析法得到了直角复合梁压电俘能器的功率频响曲线,并与常规复合梁压电俘能器进行了发电能力比较研究,随后参数化分析了金属主梁长度和附加质量对直角复合梁输出功率的影响关系。结果表明,相比于常规的复合梁,直角复合梁压电俘能器可以进一步减小两个谐振频率之间的距离,并且在两个激励方向（x向和z向）有较高的峰值功率密度。x方向激励时,通过合理调节金属主梁长度和末端质量,直角复合梁压电俘能器可以得到两个更接近的峰值功率密度;z方向激励时,随着金属主梁长度和末端质量的增加,直角复合梁压电俘能器的峰值功率密度增加。     

随机振动激励下的压电俘能器发电性能模拟与分析

对一种悬臂梁结构车载压电俘能器发电性能进行了研究,建立了两自由度1/4车辆垂向振动模型,使用仿真软件MATLAB/Simulink分析了路面随机激励下的车体振动响应,并以此作为激励源作用于压电俘能器上,使用有限元法分析了俘能器基频、外接负载、车速、路面不平度对俘能器输出电压、电流和功率的影响关系。结果表明,当俘能器基频与车辆系统固有频率相匹配时,俘能器可以获得更高的输出电压,增加负载阻抗值,俘能器输出电压增加、输出电流减小,存在一个最优负载阻抗(约为200ｋΩ)使俘能器输出功率达到最大,负载阻值相同时,提高车速和增加路面不平度系数均可以使俘能器获得更高的输出功率。当车辆以10ｍ/ｓ速度行驶在B级路面上时,压电俘能器最大输出功率可到达0.5ｍＷ。     

多输入时滞反馈控制下的斜拉梁主共振响应

研究了多输入时滞反馈控制作用下斜拉梁主共振问题.采用多尺度法,推导了位移时滞和速度时滞反馈控制作用下斜拉梁非线性主共振的解析解,分析了主共振响应随参数变化的规律,控制参数时滞和控制增益对系统非线性主共振响应的影响.结果表明:合理地调整时滞值、控制增益可以提高振动控制的效率,拓宽减振频率范围,且在参数的调节中时滞较控制增益对减振更为有效.     

新型双方向压电俘能装置设计与实验研究

研究了一种新型的双方向压电俘能器,简化拾振器结构,利于压电俘能装置的产品化.采用矩形压电晶片和悬臂梁结构对双方向压电俘能器结构进行设计;研究了附加质量对压电俘能器发电性能的影响.通过实验方法测试了新型的双方向压电俘能器在不同环境激励下的发电性能,结果表明:压电振子的固有频率与自由端附加质量成反比,在进行主副压电振子附加质量选取时,根据外界环境激励的频率范围,选取最容易激发压电振子共振的附加质量,使得主压电振子与副压电振子分别与激励频率产生共振,实现产生电能最大化.     

Design and experimental study of broadband hybrid energy harvester with frequency-up conversion and nonlinear magnetic force

In this paper, a novel broadband hybrid piezoelectric and electromagnetic energy harvester using in the low frequency vibration environment is proposed, which combines nonlinear magnet force and frequency-up conversion mechanism simultaneously. Performances are studied by theoretical analysis and experimental test. Electromechanical governed equations of harvester are established, and analytical solutions of vibration response, output voltage and power are derived. Then, effects of nonlinear force, spacing between low frequency vibration beam and piezoelectric beam, load resistance and input excitation on harvester performances are investigated by experimental test. It can be concluded that the harvester can be used to work at the low-frequency environment efficiently, and the resonant frequency and harvesting bandwidth can be tuned by the nonlinear force between the magnets and the spacing between beams. Moreover, the larger the nonlinear magnetic force and the smaller the distance between two beams, the lower working frequency and the larger bandwidth. Compared with the corresponding linear apartment, output power and bandwidth of proposed harvester are improved 90% and 125% respectively.

     

非线性压电振动能量采集器的振动特性与实验研究

为了提高线性压电振动能量采集器的输出特性,在线性压电振动能量采集器悬臂梁末端引入Duffing非线性磁力,构造了一种双稳态非线性压电振动能量采集器;综合考虑能量采集器的动态振型与轴向应变分布情况,建立了系统非线性机电耦合集总参数运动控制模型,并利用4阶、5阶Runge-Kutta算法对能量采集器的非线性振动特性进行了数值模拟;利用谐波平衡法计算获得了能量采集器的幅频响应方程,数值分析了激励频率、激励幅值以及磁铁间距等对系统非线性振动特性的影响,发现双稳态运动可以极大地提高能量采集器的频率响应范围和能量采集效率,并且能量采集器在低频、低幅值激励情况下可以产生大幅值周期运动;最后,通过实验对数值计算结果进行了验证.     

Theoretical analysis and experimental study for nonlinear hybrid piezoelectric and electromagnetic energy harvester

A nonlinear hybrid piezoelectric (PE) and electromagnetic (EM) energy harvester is proposed, and its working model is established. Then the vibration response, output power, voltage and current of nonlinear hybrid energy harvester subjected to harmonic excitation are derived by the method of harmonic balance, and their normalized forms are obtained by the defined dimensionless parameters. Through numerical simulation and experimental test, the effects of nonlinear factor, load resistance, excitation frequency and the excitation acceleration on amplitude and electrical performances of hybrid energy harvester are studied, which shows that the numerical results are in agreement with that of experimental tests. Furthermore, it can be concluded that the bigger nonlinear factor, the lower resonant frequency; moreover, there is an optimal nonlinear factor that make the harvester output the maximum power. In addition, the output power of nonlinear hybrid energy harvester reaches the maximum at the optimal loads of PE and EM elements, which can be altered by the excitation acceleration. Meanwhile, the resonant frequency corresponding to the maximum power rises firstly and then falls with PE load enhancing, while it rises with EM load decreasing; furthermore, the frequency lowers with the acceleration increasing. Besides, the larger acceleration is, the bigger power output and the wider 3 dB bandwidth are. Compared with performances of linear hybrid energy harvester, the designed nonlinear energy harvester not only can reduce the resonant frequency and enlarger the bandwidth but also improve the output power.     

基于弹性支撑与放大的宽频压电振动能量采集器模型与实验研究

针对刚性支撑压电振动能量采集器工作频带窄、采集效率低等问题,提出了一种基于弹性支撑与放大的宽频压电振动能量采集器.利用有限元方法建立了宽频压电振动能量采集器的机电耦合模型,通过Ansys软件仿真分析了能量采集器结构参数对其频域输出特性的影响;根据力学和电学平衡方法建立了宽频压电振动能量采集器的集总参数机电耦合运动微分方程,利用4-5阶龙格库塔算法对方程进行了时域求解,仿真分析了能量采集器在不同结构参数下的振动位移、速度、输出电压和功率等性能.研制了弹性支撑和放大的宽频压电振动能量采集器原理样机,建立了样机系统实验平台,并对理论研究结果进行了实验验证,结果表明本文所提的宽频压电振动能量采集器具有工作频带宽、输出性能高等优点,适合为微电子器件进行供电.     

压电振动能量采集器的力电耦合模型及其功率优化*

为提高传统压电振动能量采集器集总参数模型的性能预测精度,考虑悬臂梁的振型信息与轴向应变分布情况,提出了一种改进的力电耦合模型,该模型引入无因次幅值修正因子,通过曲线拟合方法确定了修正因子与振型函数和振动幅值之间的关系表达式;利用Rayleigh-Ritz模态分析法确定了力电耦合模型中的集总等效参数(如质量、刚度等),并根据弹性动力学原理建立了能量采集器的运动控制方程,得到了稳态时能量采集器的力、电输出响应表达式;最后,利用改进的模型对能量采集器的负载电阻和输出功率进行了优化,得到了负载短路和负载开路时能量采集器的最优输出特性。仿真结果与实例对比验证了提出模型的正确性,表明改进的力电耦合模型具有较高的预测精度。     

带谐振腔的微型压电风能采集器

为了提高基于风致振动机理的微型风能采集器在低速风作用下的输出功率,提出一种带谐振腔的微型压电风能采集器结构,该采集器由谐振腔和振动梁构成,振动梁由压电梁和柔性梁组成。谐振腔可以改变振动梁附近的流场分布,扩大作用于振动梁的动风载荷,从而提高了采集器在低速风作用下的输出功率。实验分析了风速、压电梁长度和柔性梁长度对采集器输出性能的影响。当谐振腔尺寸为64 mm×22 mm×14 mm,振动梁长度和宽度分别为38 mm和6.4 mm时,微型风能采集器在17 m/s风载荷作用下的最大输出功率达到1.28 mW。     

Electromagnetic vibration energy harvesting device optimization by synchronous energy extraction

This paper investigates a new application of nonlinear techniques for vibration energy harvesting. The Synchronous Electric Charge Extraction (SECE) energy harvesting technique for piezoelectric generators is extended and adapted to electromagnetic generators. This new circuit, which is the dual of the SECE circuit, is named SMFE for Synchronous Magnetic Flux Extraction. A theoretical model is developed, and the harvested power is simulated. Comparisons with a classical energy extraction approach show that between 2.5 more power and 10% less power can be harvested, depending on the generator characteristics. It also allows the maximum power to be harvested whatever the value of the load. Finally, the SMFE circuit was embedded and tested on a simple centimeter-scale electromagnetic harvester. Measurements confirm the theoretical operating principle of the circuit.     

一类非线性系统的自适应抗测量噪声的输出反馈镇定

本文研究一类非线性系统的自适应抗测量噪声的输出反馈镇定问题. 所研究的非线性系统输出中存在正的且 有界的乘性噪声. 非线性项的增长率为一个未知常数乘以输出的幂函数加上带有时滞输出的幂函数. 首先, 证明一个矩 阵不等式. 其次, 设计含有3个时变增益的输出反馈控制器, 并给出增益的自适应律, 然后, 构造适当的Lyapunov-Krasovskii 泛函, 给出确保闭环系统渐近稳定的充分条件. 最后, 仿真实验验证该方法的可行性和有效性.     

时滞系统关于时滞参数的自适应输出反馈控制

对存在状态时滞的线性时滞系统，给出符合分离性原理的动态输出反馈控制器形式，当时滞参数不能精确已知时，给出基于观测器的关于时滞参数的自适应动态输出反馈控制器设计方案，通过求解两个相应的Riccati型矩阵不等式即可求得满足设计要求的动态输出反馈控制器及关于时滞参数的自适应律，且控制器的存在性与时滞参数精确已知时相同．最后给出了一个应用仿真示例．